본 연구에서는 임계간 온도 범위에서 열처리한 구상흑연주철의 열처리 온도에 따른 물성 예측을 위해, 인장강도 450 MPa 급 구상흑연주철을 다양한 온도에서 열처리한 후 공냉하여 물성 예측에 필요한 미세조직을 분석하고 브리넬 경도를 측정하였다. 임계간 온도 구간에서 열처리 온도가 증가할수록 구상흑연주철 내 페라이트 분율은 감소함과 동시에 펄라이트 분율은 증가하였으나, 흑연 구상화율 및 구상흑연입수는 주방상태에서 측정된 값과 유사하였다. 열처리한 구상흑연주철의 브리넬 경도는 열처리 온도가 증가할수록 점점 증가하였다. 측정된 합금 조성 및 각 안정상의 분율, 그리고 문헌에 알려진 구상흑연주철의 브리넬 경도 예측 모델을 활용하여 열처리 온도 별 구상흑연주철의 경도 값을 계산해 본 결과, 측정값과 매우 유사한 값을 얻을 수 있었다. 또한 열역학 계산을 통해 예측된 상분율을 활용하여 정확한 경도 예측이 가능할지 확인해보기 위해, 열처리 온도 별로 구상흑연주철 내 흑연, 페라이트 및 오스테나이트의 부피를 계산한 후, 이를 면적으로 변환하여 동일한 구상흑연주철의 경도 예측 모델에 적용하였다. 이렇게 열역학 계산과 경도 예측 모델을 동시에 활용하여 계산된 구상흑연주철의 경도 값은 실제 측정한 브리넬 경도 대비 최대 27의 오차 범위 내에서 유사한 값을 나타내었다.
The friction surfaces of mechanical parts are heat-treated or coated with hard materials to minimize wear. Increasing the hardness is a very useful way to reduce abrasive wear. The general Brinell hardness test, which is widely used for metallic materials, is not suitable because it hardly shows any change in hardness when coated with thin films. In this study, we propose a basis for the application of the new Brinell hardness test method to the coated friction surface. An indentation analysis of the rigid sphere and elastic-perfectly plastic materials is performed using a commercial finite element analysis software. The results indicate that their loadto-diameter ratio is the same; the Brinell hardness test method can be applied even when the indenter diameter is on the micrometer scale. In the case of hard coating, it is difficult to calculate Brinell hardness using the diameter of the indentation, but the study revealed, for the first time, that it can be calculated using the depth of the indentation regardless of coating. The change in hardness owing to thin film coating over a wide load range implies that the hardness evaluation method is appropriate. Additional studies on various properties related to the substrate and coating material are required to apply the proposed method.
Hardness test is performed for determination of the other properties, such as strength, wear resistance and deformation resistance, as well as hardness itself. And it is performed for prediction of residual lifetime by analysis of hardness reduction or hardness ratio. However, hardness test has limitation that observation of residual indent is needed for determination of hardness value, and that is the reason for not to be widely used in industrial field. Therefore, in this study, we performed researches to obtain Brinell hardness value from quantitative numerical formula by analysing relationship between indentation depths from indentation load-depth curve and mechanical properties such as work hardening exponent, yield strength and elastic modulus.
본 연구는 재면이 약한 낙엽송재의 교실용 마루판으로의 재질개량의 일환으로 경도와 내마모성 등 표면성능의 개선을 도모하기 위한 표면강화처리기술을 개발하기 위하여 수행되었다. 낙엽송 마루판의 밑칠을 폴리우레탄 우드실러, 중간칠을 폴리우레탄 샌딩실러도료로 도장한 다음, 마감칠로써 자외선 (UV) 경화형 에폭시아크릴레이트수지도료와 우레탄아크릴레이트수지도료를 이용한 표면강화처리에 의해 경도, 내마모성, 부착성, 내충격성이 향상되었다. 이 처리에 의해 브리넬경도가 1.75에서 2.25~2.27로 개선되어 2.38의 참나무재와 유사한 경도치를 나타내었으며, 약 2배의 내마모성 증대효과가 나타났다. 외부충격에 의한 도막의 갈라짐은 거의 발생하지 않았으며, 에폭시아크릴레이트가 우레탄아크릴레이트에 비해 충격에 의한 크랙의 발생율이 적었다.
This paper deals with application of instrumented indentation technique for quality inspection methodology for automobile component. For this, the instrumented indentation tests were performed the normal and cracked compressor journal, which is made from spheroidal graphite cast iron and utilized in air-conditioning system. And the Brinell hardness was estimated using the unloading slope and maximum indentation force. With the aid of Normal distribution, this Brinell hardness was statistically compared and analyzed with hardness measured by indentation hardness tests. Also, application possibility of reliability-based quality inspection criteria for compressor journal was evaluated through the probabilistic analysis for the Brinell hardness estimated by instrumented indentation technique.
It is already known that hardness number of cold-forged product is in close conjunction with its effective strain. This paper presents the method to predict the relation between effective strains and hardness by using FE-simulation of hardness test from the conception that hardness indicates resistance to plastic deformation. The results of FE-simulation for the materials are compared with those of experiments and also compared with those of experiments in reference to show the feasibility of the proposed method. In addition, the present method was applied to the cold-forged product to verify the relation between hardness and effective strain. As a result, the predicted hardness number by the present method is in good agreement with experimental values. Prediction of hardness fur a cold-forged product comes to be possible by estimating the relation between effective strain and hardness using the proposed method in this study.
The most cost-effective method of reducing abrasive wear in mechanical parts is increasing their hardness with thin hard coatings. In practice, the composite hardness of the coated substrate is more important than that of the substrate or coating. After full unloading of the load applied to an indenter, its indentation hardness evaluated based on the dent created on the test piece was almost dependent on plastic deformation of the substrate. Following the first part of this study, which proposes a new Brinell hardness test method for a coated surface, the remainder of the study is focused on practical application of the method. Indentation analyses of a rigid sphere and elastic-perfect plastic materials were performed using finite element analysis software. The maximum principal stress and plastic strain distributions as well as the dent shapes according to the substrate yield stress and coating thickness were compared. The substrate yield stress had a significant effect on the dent size, which in turn determines the Brinell hardness. In particular, plastic deformation of the substrate produced dents regardless of the state of the coating layer. The hardness increase by coating behaved differently depending on the substrate yield stress, coating thickness, and indentation load. These results are expected to be useful when evaluating the composite hardness values of various coated friction surfaces.
Ceramic coatings with high hardness and excellent chemical stability have been successfully applied to various machine elements, tools, and implants. However, in the case of monolayer coating on soft substrates, a high-stress concentration at the interface between the coating and the substrate causes delamination of the coating layer. Recently, to overcome this problem, multilayer coatings with a metal layer with a low modulus of elasticity added between the ceramic and the substrate have been widely applied. This study presents the third part of a recent study and focuses on the effect of the number of coating layers on the Brinell hardness of multilayered coating with TiN/Ti, following the two previous studies on a new Brinell hardness test method for a coated surface and on the influence of substrate and coating thickness. Indentation analyses are performed using finite element analysis software, von Mises stress and equivalent plastic strain distributions, load-displacement curves, and residual indentation shapes are presented. The number of TiN/Ti layers considerably affect the stress distributions and indentation shapes. Moreover, the greater the number of TiN/Ti layers, the higher is the Brinell hardness. The stress and plastic strain distributions confirm that the multilayer coatings improve the wear resistance. The results are expected to be used to design and evaluate various coating systems, and additional study is required.
국산 간벌재 3수종을 이용하여 밀도 및 수지첨가량을 달리해서 톱밥보드를 제조한 후 감압 후 상압, 감압·초음파 병행 후 상압으로 20분씩 3반복 함침하여 밀도 및 수지첨가량에 따른 함침 보드의 물성을 측정하고, 함침 시 초음파처리 효과를 조사하였다. 밀도 및 수지첨가량이 증가함에 따라 함침 보드의 밀도, 휨강도 및 브리넬 경도는 증가하였으나, 수지 함침율은 감소하였다. 감압·초음파 병행 후 상압 함침에 의한 함침보드의 밀도, 수지함침율, 휨강도 및 브리넬 경도가 감압 후 상압에 의한 함침 보드 보다 컸다. 보드 함침 시 초음파처리를 병행함으로써 수지 함침율이 증가되어 함침 보드의 물성에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 Al-7Si-(0.3~0.5)Mg-(0~0.5)Cu 합금의 용체화 처리 조건 최적화를 위해 545℃ 온도 조건에서 최대 7시간까지 용체화 처리를 수행한 후 광학현미경 및 FE-SEM을 활용한 미세조직 관찰 및 브리넬 경도 측정을 수행하였다. 합금 내 공정 Si 상은 용체화 처리 초반 3시간 동안 급격한 조대화 현상을 나타내었으며, 이후에는 용체화 처리가 진행되어도 Si 상 크기는 크게 변화하지 않았다. 한편 공정 Si 상의 구상화의 경우, 용체화 처리 시간이 7시간에 도달할 때 까지 지속적으로 진행되었다. Cu가 첨가된 합금의 주방상태에서는 Q-Al5Cu2Mg8Si6 상과 θ-Al2Cu 상이 확인되었으나, 545℃에서 3시간 동안 진행된 용체화 처리 이후에는 모두 분해되었다. 주방상태에서 확인된 π-Al8FeMg3Si 상은 5시간의 용체화 처리 이후에 사라지거나(0.3wt%Mg) 혹은 7시간의 용체화 처리 이후에도 존재(0.5wt%Mg)하였다. 초정 α상 내 Mg 및 Cu 함량은 용체화 처리 시간이 5시간에 도달할 때 까지 증가하였으며, 이는 Mg 및 Cu를 함유한 금속간 화합물의 용체화 시간에 따른 분해 거동과 일치하였다. Al-7Si-Mg-Cu 합금의 용체화 처리 과정에서 확인한 미세조직 변화를 종합적으로 고려할 때, 본 연구에서 다룬 합금의 석출강화 효과 극대화를 위해서는 545℃ 조건에서 최소 5시간의 용체화 처리가 필요한 것으로 판단되며, 용체화 처리 조건 별로 측정된 브리넬 경도 데이터로부터 동일한 최적 용체화 처리 조건을 도출할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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